劉誠 肖彤 曹荀

摘要：針對(duì)對(duì)于大面積區(qū)域安防場景的需求，以樹莓派為主控，STM32單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)控制底盤，采用不同種類的環(huán)境傳感器，設(shè)計(jì)出一款多場景適用，功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)可控的安防小車。該小車可在室內(nèi)、室外進(jìn)行常規(guī)的安全隱患監(jiān)視，極大滿足對(duì)于大面積區(qū)域的安防保障有需求的用戶。

關(guān)鍵詞：樹莓派;智能監(jiān)控;安防;物聯(lián)網(wǎng);

引言：

隨著建設(shè)“鄉(xiāng)村振興”、“建設(shè)美麗鄉(xiāng)村”的推進(jìn)，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施、公共服務(wù)得到有利改善。越來越多的外出務(wù)工人選擇回到農(nóng)村，為建設(shè)美麗鄉(xiāng)村貢獻(xiàn)自己的力量。當(dāng)然，隨著鄉(xiāng)村人數(shù)的增加，人們的安防意識(shí)也隨之提高。特別是農(nóng)村地區(qū)，由于住宅普遍面積較廣，同時(shí)工作在外的子女希望能有更便捷的方式，能時(shí)刻關(guān)注在家的老人的安全。顯然，傳統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備功能已經(jīng)不能滿足這些新的需求。

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)技術(shù)、無線通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)一款可在室內(nèi)、室外進(jìn)行巡邏監(jiān)控、防盜報(bào)警，同時(shí)能夠通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域選擇，監(jiān)控回放，小車移動(dòng)控制，語音對(duì)講。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

小車方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)以樹莓派作為機(jī)器的“大腦”，STM32F10X系列單片機(jī)，作為機(jī)器的“小腦”，控制小車運(yùn)動(dòng)底盤。用戶對(duì)小車進(jìn)行巡邏線路的設(shè)置后，小車可在室內(nèi)、室外進(jìn)行安全巡視，全方位地對(duì)房屋每一個(gè)角落，無死角監(jiān)視。還可以通過手機(jī)APP，控制小車到任意一個(gè)地方。

小車搭載攝像頭模塊、升降云臺(tái)、聲光報(bào)警模塊、LCD顯示模塊，及各種環(huán)境傳感器。攝像頭實(shí)時(shí)采集視頻存儲(chǔ)到本地存儲(chǔ)中。用戶可通過手機(jī)APP查看實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，或者查看過去回放。查看回放時(shí)，樹莓派根據(jù)用戶需求選取對(duì)應(yīng)時(shí)段的本地監(jiān)控信息上傳至云服務(wù)器中。當(dāng)攝像頭檢測(cè)到有未錄入臉出現(xiàn)時(shí)，發(fā)出聲光警告并向用戶手機(jī)推送消息。升降云臺(tái)可以調(diào)節(jié)監(jiān)控的視野，極大增加了定點(diǎn)監(jiān)控的視野范圍。

小車所搭載的環(huán)境傳感器，會(huì)實(shí)時(shí)收集環(huán)境信息，并根據(jù)設(shè)置的閾值，通過多種方式向用戶發(fā)送警告，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體，煙霧火災(zāi)等險(xiǎn)情。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)電路主要原理圖如下圖2所示。

小車硬件部分由小車底盤部分、傳感器部分、機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，三大部分組成。其硬件連接關(guān)系如下圖3。

小車底盤由四個(gè)直流減速電機(jī)和MPU6050模塊，以及一個(gè)激光雷達(dá)模塊構(gòu)成，樹莓派樹莓派連接到激光雷達(dá)，獲取環(huán)境地圖與STM32單片機(jī)進(jìn)行串口通訊，來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，獲取小車姿態(tài)等信息。

為了能夠讓小車在安裝攝像頭、傳感器等設(shè)備后仍然能靈活運(yùn)動(dòng)，應(yīng)選擇功率較大的直流電機(jī)。然而，由于單片機(jī)通用輸入輸出口的帶負(fù)載能力比較弱，難以驅(qū)動(dòng)大電流的電機(jī)負(fù)載。這里選用一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。。

MPU6050模塊，即陀螺儀。主要用來獲取到小車底盤的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而為主控做出決策提供參考依據(jù)。該模塊價(jià)格低廉，抗干擾能力強(qiáng)。

為了降低成本，選擇價(jià)格相對(duì)低廉的基于三角測(cè)距的雷達(dá)，該激光雷達(dá)在每次測(cè)距時(shí)發(fā)射紅外激光信號(hào)，視覺采集系統(tǒng)接收反射的激光信號(hào)，經(jīng)過樹莓派的處理后，將以激光雷達(dá)為中心到被測(cè)距離值解算出來。

聲光報(bào)警模塊主要是由蜂鳴器和LED組合實(shí)現(xiàn)，通過程序控制其觸發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)不同緊急情況，不同的聲光提示效果。

攝像頭模塊采用紅外攝像頭，可以在夜間無補(bǔ)光的條件下進(jìn)行拍攝，可以在黑暗環(huán)境下，對(duì)畫面有比較好的清晰度。攝像頭配合電機(jī)控制的伸縮桿，可以極大拓寬監(jiān)控可視范圍。

小車可通過物聯(lián)網(wǎng)WIFI模塊連接到用戶家中網(wǎng)絡(luò)。如果區(qū)域無無線網(wǎng)絡(luò)，可選擇搭載4G模塊的方式實(shí)現(xiàn)4G無線透傳，同時(shí)也能覆蓋更廣的巡視范圍。

環(huán)境傳感器中，有毒氣體一氧化碳傳感器JXM-CO，具有抗干擾能力強(qiáng)，靈敏度高，體積小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有害氣體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；鹧姹O(jiān)測(cè)采用紅紫外火焰探測(cè)器，該傳感器利用光學(xué)敏感器件監(jiān)測(cè)火焰發(fā)出的紅外波與紫外波，有效抑制和減少誤報(bào)幾率。，通過樹莓派對(duì)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行聲光警報(bào)的觸發(fā)。

屏幕模塊可以進(jìn)行基礎(chǔ)的功能配置，連接網(wǎng)絡(luò)等操作。顯示傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，也可以查看視頻監(jiān)控回放。也能與手機(jī)APP進(jìn)行手機(jī)視頻通訊。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

樹莓派對(duì)小車底盤的控制是基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)完成的。ROS層作為上位機(jī)啟動(dòng)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以及運(yùn)行建圖算法和導(dǎo)航算法。STM32作為底層驅(qū)動(dòng)硬件，完成對(duì)直流電機(jī)的閉環(huán)控制。樹莓派與單片機(jī)采用串口通訊的方式，進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)連接。

STM32對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，是實(shí)現(xiàn)小車正確運(yùn)動(dòng)的重要的一環(huán)。為解決電機(jī)速度閉環(huán)問題，采用了經(jīng)典的PID控制，對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行PID控制，通過代碼實(shí)現(xiàn)后，再進(jìn)行PID參數(shù)的設(shè)定，從而讓機(jī)器的運(yùn)動(dòng)達(dá)到我們想要的效果。

當(dāng)小車開始運(yùn)行時(shí)，將按照已經(jīng)規(guī)劃好的路線進(jìn)行巡視，攝像頭和環(huán)境傳感器收集視頻信息保存到本地儲(chǔ)存，將傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到主控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，當(dāng)超過預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)手機(jī)APP接入時(shí)，小車停止巡邏，用戶通過監(jiān)控視頻畫面觀察環(huán)境，控制小車移動(dòng)到任意位置，或者重新設(shè)置巡邏路線。

4.系統(tǒng)測(cè)試

按照硬件電路原理圖焊接好后 設(shè)計(jì)好電路，焊接電子元件后，進(jìn)行硬件連接和系統(tǒng)調(diào)試。接入電源后，在屏幕上顯示有害氣體濃度，溫濕度等傳感器收集的數(shù)據(jù)，傳感器工作正常。通過設(shè)置，將小車接入網(wǎng)絡(luò)后，打開手機(jī)APP，顯示出攝像頭實(shí)時(shí)畫面，有1s左右的延遲。通過手機(jī)的按鍵，控制小車的自由移動(dòng)。底盤控制程序測(cè)試通過。

5.結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以樹莓派為主控的物聯(lián)網(wǎng)安防小車。攝像頭結(jié)合升降云臺(tái)，通過移動(dòng)底盤，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的無死角巡視監(jiān)控。檢測(cè)到 陌生人接近時(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)并向用戶手機(jī)端及時(shí)推送消息，實(shí)現(xiàn)家庭安全監(jiān)視功能，溫濕度傳感器，有害氣體傳感器，火焰?zhèn)鞲衅魈綔y(cè)環(huán)境有害氣體泄露，火災(zāi)等危險(xiǎn)場景，及時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警觸發(fā)和手機(jī)消息推送，保障了人生財(cái)產(chǎn)安全，及時(shí)制止危險(xiǎn)事故發(fā)生。提高了社會(huì)居民的生活體驗(yàn)，用科技改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

作者簡介：

劉誠（2000-），男，漢族，四川中江人，西昌學(xué)院本科在讀，電子信息工程方向。

基金項(xiàng)目：

西昌學(xué)院2020年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：遠(yuǎn)程體感交互小車（項(xiàng)目編號(hào)：202010628001）。